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五种希格斯粒子以外的“奇异粒子”

2019-02-15  本文已影响12人  b27118ca4274

    随着科学家宣布他们发现了希格斯粒子,由于没有彻底证实该粒子的存在,科学界围绕希格斯粒子的存在与否进行了持续的争论,最近一个时期的争辩气氛比过去更浓厚,许多物理学家表达了一些失望的情绪。所有的新发现粒子的特征信息指明了希格斯粒子的存在,而希格斯粒子的重要性在于它能进一步证实标准模型理论,这个有着100年长久历史的理论解释了构成宇宙物质组成微小粒子。

    一些物理学家仍然希望,通过大型强子对撞击(LHC)和其它物理设施的实验手段来寻求突破标准模型局限性的途径,他们希望实验的结果能够改变目前粒子物理学思维方式的震撼性影响,能够揭示在宇宙中潜藏的粒子,它们从引力子到伴W粒子,下面列举了五种在希格斯粒子以外的奇异粒子,它们的存在有可能在今后的物理实验中获得证实。

1, 伴胶子(gluinos)、伴W粒子(winos)、光微子(photinos)

    如果证实了超对称理论的正确性,那么根据该理论的推导,我们可以获得十多个有待发现的新粒子,根据超对称理论的解释,每一个基本粒子都有一个配对的潜在粒子,它们之间构成了“粒子对”。标准模型有两种类型的基本粒子,一种是玻色子,它是力的传递者、或形成力的媒介,其中包括了胶子和引力子等;另一种是费米子,它含有质量、或它是物质的载体,其中包括夸克、电子和中微子等,印第安纳大学的物理学家波林·盖格农在博客文章中对基本粒子的分类进行了解读。

    按照超对称理论的解释,每一种费米子与一种玻色子形成配对的组合,反之亦然,每一种玻色子与一种费米子形成配对的组合,根据这种逻辑可以推断,胶子(一种玻色子)有它的对应物——伴胶子(gluinos),W粒子有它的对应物——伴W粒子(winos),光子有它的对应粒子——光微子(photinos、或伴光子),以此类推,希格斯粒子有一个它的对应粒子——伴希格斯粒子(Higgsinos)。

(图片显示希格斯粒子、或者希格斯玻色子可能的发现过程,科学家通过日内瓦的大型强子对撞击的实验有可能发现了希格斯粒子,这种发现也许意味着我们宇宙不可避免地走向毁灭,质子与质子碰撞后产生的粒子显示出这种新的粒子与希格斯粒子相互一致的特征。)

    到目前为止,通过大型强子对撞机的实验没有证实超对称理论的这种预测,物理学家没有发现这些难以捉摸的粒子的行踪,纽约哥伦比亚大学的数学物理学家彼得·沃特明确指出,这些粒子未必存在,超对称理论本身可能有缺陷。2012年,物理学家发现了一个极为罕见的粒子,它被称为B.S、或B—Sub—S介子,该粒子的寿命很短,将两个以近光速飞行的质子进行迎面对撞,在短暂的时间内产生了B.S介子,这种存在几率非常低的介子符合标准模型的定义,物理实验的事实说明,如果有任何超对称粒子的存在,那么该粒子将比最初期待的粒子重了很多。超对称理论的一个弱点是它设定了大约105个“自由参数”,如此多的参数说明,物理学家对新发现粒子的尺寸和能量没有很好地确定它们的界限,科学家不能确认在什么地方寻找这些新的粒子。

2, 中轻微子(或中性伴子,Neutralinos)

    超对称理论预测过空间的中轻微子,它不带电荷,它的存在能够解释宇宙学的一大悬疑——暗物质,科学家认为暗物质占据了宇宙物质的大部分,只能通过它施加的巨大引力来间接地探测暗物质的存在。按照印第安纳大学的物理学家盖格农的解释,超对称理论预测了除伴胶子以外的一种混合了所有力的携带者的粒子体(混合体),从中创造出一种中轻微子粒子。

    中轻微子在早期灼热的宇宙中形成,它留下了足够的以暗物质方式存在的痕迹,我们今天可以通过暗物质的拉动作用真切地感受到它强有力的存在,科学家以一种前所未有的巨大热情来搜索它存在的蛛丝马迹。通过使用伽玛射线和中微子(Neutrino)望远镜,科学家希望最终搜索到在宇宙空间的一些区域“堆得满满”的暗物质,例如:在太阳和银河系的中心。物理学家最近宣布了“大科学”计划,在国际空间站安装的粒子接收器也许发现了暗物质的证据,具体的发现细节没有公布出来。

3,引力子

    引力子和引力波的物理特性困惑了晚年的爱因斯坦,也一直困扰着从那时以来的物理学家,爱因斯坦和后来的物理学家孜孜不倦地探求,希望建立一种单一的理论,为自然界的物质和力创造一种“大统一理论”,该理论既能解答微观世界的力的作用规律,也能解答宏观世界的力的作用定律。爱因斯坦的“统一梦”没能变为现实,而之后兴起的“新物理学”极有可能实现他的梦想。爱因斯坦的相对论很好地解释了引力,该理论却难以解释粒子的量子行为;粒子物理学很好地解释了粒子的量子行为,却不包含对引力的有效解释。

    如何用量子物理学来解释引力现象?物理学家提出了引力的粒子概念,这种理论假想的粒子被称为引力子,它非常微小,没有质量,它能够释放引力波,从理论推测上说来,每一个引力子能够释放对宇宙物质的拉动作用,然而,很难从引力作用中发现引力子的存在,探测引力子极其困难,这是因为引力子和物质的交互作用极其微弱。

    运用现有的技术来直接探测幽灵般的引力子几乎不可能,,科学家一直没有找到引力子,这是物理学的不幸,然而,物理学家没有灰心丧气,他们发明了搜索引力波的工具,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)用以测量引力波,它是一种时空结构的波动现象,通过使用先进的探测仪器,物理学家至少可以间接地揭示引力子的存在。

4,非粒子(Unparticle)

    科学家最近发现了一种奇异粒子的行踪,他们将这个“来无影、去无踪”的诡秘粒子称之为非粒子,该粒子能够揭示自然界的“第五种力”,它属于已知四种基本力之外的“第五元素”,该粒子能够解释,在一个远程的距离范围,两个自旋转的粒子能够发生“不可思议”的交互作用现象,在一个短程的距离范围,自旋粒子的交互作用普遍存在。非粒子在小的尺度上形成一种结合力,它聚集和排列了在磁场和金属体中的电子旋,然而,粒子在远程距离上表现的交互作用令人难以捉摸。

    物理学家正在地幔层搜索非粒子的痕迹,大量电子在地幔层形成堆积的现象,非粒子可能和地球磁场形成了“牢不可破”的结合,如果磁场与非粒子的“联盟”出现轻微扰动,那么这种结合的一致性的少许变化也许能够显示非粒子存在的一丝丝踪迹。

5,变色龙粒子

    物理学家设想了一个更难以捉摸的粒子,这个被称为变色龙的粒子似乎含有一种可变的物质成分,如果证实了这个变化无常的粒子,那么它的存在方式可以帮助我们很好地解释暗物质和暗能量的相互关系。2004年,物理学家描绘了一种假想的力,它的大小表现为一个变数,变化特性取决于环境参数,在物质密度大的环境,诸如:地球、太阳,变色龙粒子由于受到物质紧固度的影响,它将会释放弱一些的力,反之,在物质密度小的环境,它将会释放强一些的力。

    变色龙粒子的独特性说明,在宇宙早期物质分布致密的环境,它的作用力变得弱小;而在宇宙膨胀的演变之中,由于星系间的距离不断扩大,物质密度不断地随之下降,它的作用力在时间进程中会变得更为强大。物理学家设想,用光子在强磁场产生衰变的方法来寻找变色龙粒子存在的证据,到目前为止没有发现任何的线索,然而,寻找变色龙粒子的物理实验没有停止。

(编译:2013-3-19)

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